像聚四氟乙烯这样的材料有什么特别之处，为什么它的Dk和Df这么低，而环氧树脂却有这么高的Dk和Df?这一切都是关于分子的化学结构以及它们如何相互作用。了解化学和电学性质之间的联系是为高速互连设计优化材料的起点。gydF4y2Ba
材料的电磁性能“，gydF4y2Ba
分离的电荷形成电场。移动的电荷(电流)会产生磁场，而交流电可以产生传播的电磁波(EM)，由耦合的电场和磁场组成。在自由空间(真空)中，电场中储存的能量与自由空间介电常数ε0成正比，单位为F/m(法拉/米)。gydF4y2Ba
所有物质都是由原子组成的，原子核周围有一个电子云。原子可以形成具有永久内部电荷分布(偶极矩)的“极性”分子或具有对称电荷分布的非极性分子。电场会通过置换离子、旋转偶极子、拉伸原子间的键或扭曲分子的电子云来“极化”材料。因此，电场作用于任何材料时所储存的能量都比它与任何材料(自由空间)相互作用时所储存的能量更多，并且任何材料的相对介电常数εR总是大于1.0。gydF4y2Ba
磁场在自由空间中储存的能量与自由空间磁导率μ0成正比，单位为H/m(亨利/米)。忽略非常弱的核磁相互作用，“顺磁”材料含有未配对电子的原子，如铂和铝。顺磁性材料与磁场的相互作用非常弱。例如，铂的磁导率相对于自由空间μR为1.000026。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba
“铁磁”材料(铁、镍、钴、稀土元素、一些黑色金属和稀土合金以及铁氧体)是顺磁材料的一种特殊情况，其中电子自旋优先排列，并受到磁场的强烈影响。铁磁物质的相对磁导率为1.05 ~ > 10gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。然而，大多数材料没有未配对的电子，是“抗磁性的”，表现出低于自由空间的磁导率。同样，与磁场的相互作用非常弱。例如，水的μR为0.9999909。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba虽然铁磁材料在低频和高频都有大量的电气工程应用，但高速数字电路层合板在工程上可以被认为是无磁性的，其相对磁导率为μR = 1.000。gydF4y2Ba
在自由空间中，电场产生的电通量密度矢量D(单位为焦耳/伏特-m2) E为gydF4y2Ba
在一种材料中，电通量密度D等于自由空间中的能量储存E和材料极化的贡献P。gydF4y2Ba
大多数介质，当然所有的高频层合板，是线性的极化场强度关系和“电磁化率，”χgydF4y2Bae”gydF4y2Ba定义为gydF4y2Ba
将方程3代入方程2得到gydF4y2Ba
ε是材料的介电常数，εgydF4y2BaRgydF4y2Ba是相对介电常数，也称为“介电常数”。gydF4y2Ba
四种极化机制gydF4y2Ba
有四种极化机制。空间电荷极化是由电荷在界面处积聚或离子在溶液中分离产生的。在交流电子场的低频下，这可能导致较大的分离和较大的表观εgydF4y2BaRgydF4y2Ba。频率越高，离子的运动距离越小，εR随频率的增加而显著减小。空间电荷极化的影响可能很大。例如，将0.1%重量百分比的导电单壁碳纳米管悬浮在聚四氟乙烯/二氧化硅复合材料中产生的“人工电介质”显示出降低gydF4y2Ba
当频率从100hz增加到1khz时，测量的“表观”相对介电常数从1000到10(见gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。没有导电纳米管的二氧化硅/聚四氟乙烯复合材料本身的介电常数为3.0。在千赫到100千赫的范围内，磁场的交变速度比离子的反应速度快，空间电荷极化基本上冻结了。如果材料没有自由电荷，空间电荷极化机制就不会发生。gydF4y2Ba
方向极化产生于从它们的平衡位置旋转的永久偶极子。回想一下我们大一的化学知识，在形成化合物时，电负性非金属(如氧、氯和氟)会吸引正电金属的电子，形成离子键，从而导致溶液中的电荷分离。氯化钠，NaCl是一个强离子的例子。当与电负性较小的元素(如氢、碳和硅)反应时，电负性元素将与水、H形成具有永久偶极矩的极性键gydF4y2Ba2gydF4y2BaO，作为一个经典的例子。当电负性相似元素的原子发生反应时，它们形成极键，表现出低偶极矩。碳氢键是极性键的一个例子。gydF4y2Ba
分子排列也是偶极子形成的重要组成部分。例如，氧和碳之间的电负性差与氧和氢之间的电负性差相似。然而，二氧化碳(COgydF4y2Ba2gydF4y2Ba)和水(HgydF4y2Ba2gydF4y2BaO)非常不同。CO的180°键角gydF4y2Ba2gydF4y2Ba导致原子的线性排列;分子是对称的和极性的。对于HgydF4y2Ba2gydF4y2BaO，键角为109°，形成不对称的高极性分子。即使完全相同的原子排列方式不同，也会导致极性的显著差异。例如，邻二氯苯(见gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba)具有2.33德拜极性，而间二氯苯(见gydF4y2Ba图2 bgydF4y2Ba)具有1.48德拜极性，对二氯苯(见gydF4y2Ba图2 cgydF4y2Ba)由于对称而完全是两极的。gydF4y2Ba
取向极化机制只有在材料含有不对称极性键时才起作用。极性基团也必须是可移动的，才能对材料的介电常数有显著的贡献。当电磁场的频率超过1/τ时，极化方向停止对介电常数的贡献，τ =极性基团回到其平衡位置的弛豫时间或特征时间。这种情况通常发生在频率为10的范围内gydF4y2Ba7gydF4y2Ba到10gydF4y2Ba11gydF4y2Ba赫兹。正如将进一步讨论的那样，用于电路衬底的树脂等聚合物材料表现出非常广泛的松弛时间。gydF4y2Ba
原子极化产生于分子键的拉伸。它在10中是有效的gydF4y2Ba11gydF4y2Ba到10gydF4y2Ba14gydF4y2BaHz范围(红外线)。与离子极化和定向极化不同，特定的键振动都表现出非常窄的特征松弛时间范围。这构成了红外光谱的基础。gydF4y2Ba
电子极化产生于电磁场扭曲与每个原子相关的电子云，并主导介电性能超过10gydF4y2Ba14gydF4y2BaHz，在可见光和紫外线辐射范围内。材料的折射率本质上是√εgydF4y2BaRgydF4y2Ba以可见光的频率。固体材料在光学频率下(不包括气凝胶)的折射率在1.3到2.65之间变化，这意味着电子极化导致的介电常数值约为1.7到7。在较低的频率下，电子极化的贡献可能更大。在100 KHz到太赫兹的频率范围内，观察到的固体非极性材料的最低介电常数值约为2。gydF4y2Ba
介电损耗gydF4y2Ba
所有这些极化机制导致在材料中储存电能，当电磁场被移除或反向时，这些电能被“归还”给电磁场。然而，离子或电子的位移、偶极子的旋转和键的振动都受到原子水平上摩擦的影响。这导致了转化为热量的电磁场能量的损失。分子摩擦和惯性也会延迟极化，导致“失相响应”。具有幅度和相位的属性(量化“相内”和“相外”或“存储”和“损耗”部分)可以方便地表示为复数。复介电常数ε*由gydF4y2Ba
用实量ε '量化能量储存，虚量ε "量化损失，δ为相位角。损耗tan, tan δ = ε " / ε '(也称为耗散因子)大约等于每波长所消耗的EM能量的百分比。gydF4y2Ba
所有这些性质的物理性质都在gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba(数据来自文献2)，比较εgydF4y2BaRgydF4y2Ba和tanδ的水在1.5°C和冰在0°C的频率范围为100khz至25ghz。从100 KHz到约3 GHz，由于旋转偶极子的存在，水的εR近似恒定在87的高值。当频率接近1/τ时，场的变化速度快于水分子的响应速度，εR值在25 GHz时下降到约15。随着介电常数的下降，耗散因子也达到最大值，正如德拜理论预测的极性材料的行为。当然，冰是由完全相同的分子构成的，但偶极旋转被“冻结”了，因为它是晶体固体。的εgydF4y2BaRgydF4y2Ba冰的值比水的值低得多，也更稳定，在50年的频率范围内从4.8下降到3.2。gydF4y2Ba
工程材料gydF4y2Ba
在设计高速多层互连时，使用低介电常数、低损耗的介电材料可以改善许多性能因素。低介电损耗，当然，有助于降低总体插入损耗，但它也导致较低的介电常数随频率(色散)的变化，从而减少上升时间退化。低介电常数缩短了传播延迟。对于固定的阻抗值，低介电常数介质允许更宽的走线，减少在固定层厚度下的导体损耗。或者，在固定的线宽上，可以减少层厚度，从而减少串扰，并可能增加固定的整体板厚度的层数。gydF4y2Ba
乍一看，使用非极性介电材料似乎是显而易见的，而大量的聚合物材料，包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯可以满足要求。但一如既往，有许多工程上的权衡需要考虑。gydF4y2Ba
虽然第一个印刷电路是由保罗·艾斯勒在二战前发明的，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba20世纪50年代，随着电视和晶体管收音机在商业上的普及，这个行业开始腾飞。这些早期的电路工作在低频率下，对尺寸的要求很低，因此对电介质材料的主要要求是它能粘附在铜箔上，并能在锡铅焊接温度下存活。酚醛浸渍纸是用低成本的化学物质(广泛用于胶合板胶粘剂)制成的，固化后具有良好的耐高温性能。酚醛树脂是高度极性的，具有许多不对称的羟基，导致对金属和金属氧化物的良好附着力。gydF4y2Ba
到20世纪60年代末，电路复杂性的增加和电路特征尺寸的减小使得尺寸稳定性成为一项重要的层压板特性。电路层压板是通过将介电材料压在预制铜箔片之间制成的。在热固性材料的情况下，树脂首先变成液体，然后反应形成固体网络。在热塑性塑料的情况下，树脂融化和流动，然后当它冷却到熔点以下时凝固。在这两种情况下，电介质在升高的温度下变成固体。gydF4y2Ba
铜的热膨胀系数(CTE)约为17 ppm/°C。固体聚合物材料的CTE值为100至200 ppm/°C。当层压板冷却时，箔和电介质之间就会出现“拔河”，产生应力，一旦铜被蚀刻，材料被热循环，应力就会被材料运动缓解。E-glass(“E”表示针对电路层压板优化的特定成分)织物在10 GHz1和CTE约为5ppm /°C时的εR为6.1和tan δ为0.006。通过将玻璃织物浸渍在热固性(如环氧树脂)或热塑性(如聚四氟乙烯)中，就形成了一种可以与铜箔相匹配的复合材料。gydF4y2Ba
环氧树脂表现为εgydF4y2BaRgydF4y2Ba在100 KHz至3.1 KHz时约为4.0，在10 GHz时tan δ为0.015至0.02gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。1968年，NEMA建立了FR-4级溴化阻燃，环氧玻璃织物复合层压板，今天继续广泛应用于电子电路。FR-4中的玻璃纤维含量在30%至60%的重量百分比范围内，复合材料的介电常数值为3.9至4.7。环氧树脂，顾名思义，含有氧，环氧树脂是极性化合物。极性导致对铜箔的天然良好附着力，但较高的介电损耗限制了它们在较高频率下的使用。环氧树脂较高的tanδ值表明，由于极性不对称和链段迁移，偶极机制对介电常数有显著贡献。gydF4y2Ba
玻璃织物复合材料本质上是各向异性的，本质上连续的玻璃纤维导致低平面内CTE，但在z轴或通平面方向上提供很少的CTE降低。我们记得，热固性树脂一旦固化，就永远不会再流动，但它们确实表现出玻璃化转变温度TgydF4y2BaggydF4y2Ba。在分子水平上，TgydF4y2BaggydF4y2Ba是指材料开始从无序的非晶体固体(“玻璃”)转变为橡胶的温度。gydF4y2Ba
从聚合物科学家的角度来看，聚合物链的迁移率显著增加。而在T以下gydF4y2BaggydF4y2Ba时，单个主链原子可以旋转，高于TgydF4y2BaggydF4y2Ba主链原子群可以发生协同运动。下面TgydF4y2BaggydF4y2Ba在美国，许多热固性材料的CTE值约为50 ppm/°C，而在Tg以上，CTE值可能为250 ppm/°C或更高。由于无铅焊料需要较高的温度，这可能导致铜桶的破裂。高z轴CTE即使能存活到焊接阶段，当长期热循环时，也会导致铜疲劳和PTFE失效。此外，极性化合物可以显著增加εgydF4y2BaRgydF4y2Batan δ在T上面gydF4y2BaggydF4y2Ba由于链流动性的增加。原来的FR-4级表现为T级gydF4y2BaggydF4y2Ba大约125°C。高性能等级的环氧树脂现在可与TgydF4y2BaggydF4y2Ba值超过180°C。gydF4y2Ba
另一种降低电路层压板z轴CTE的方法是使用陶瓷填料代替玻璃织物，或与玻璃织物一起使用。熔融无定形二氧化硅表现为εgydF4y2BaRgydF4y2Ba和tan δ的0.00017在10 GHzgydF4y2Ba2gydF4y2BaCTE明显较低，为0.6 ppm/°C。用球形熔融二氧化硅填料制成的复合材料在CTE和介电性能方面几乎完全各向同性。由不规则形状的磨砂熔融二氧化硅或与玻璃织物结合制成的复合材料，虽然不完美，但比未填充的玻璃织物增强材料更具各向同性。因为εgydF4y2BaRgydF4y2Ba和tan δ明显低于E-glass，用填充材料替代织物可以获得更低的介电常数和更低的损耗复合材料。极低的tan δ表明只有电子极化对熔融二氧化硅的介电常数有贡献。gydF4y2Ba
聚四氟乙烯复合材料gydF4y2Ba
如上所述，许多常见的非极性热塑性碳氢化合物聚合物具有εgydF4y2BaRgydF4y2Ba值小于2.4和tan δ值小于0.002，包括聚乙烯(三明治袋)，聚苯乙烯(泡沫饮料杯和包装)和聚丙烯(酸奶容器)。然而，所有这些材料都融化或呈现T型gydF4y2BaggydF4y2Ba远低于无铅焊接温度。聚四氟乙烯，PTFE，然而，表现出327°C的熔点，远高于甚至无铅焊接要求。而碳氟键是高度极性的，重复单位的对称性，-CFgydF4y2Ba2gydF4y2BaCFgydF4y2Ba2gydF4y2Ba-，使其具有非常低的极性。PTFE表现为εgydF4y2BaRgydF4y2Ba= 2.08和tan δ of 0.00037在10 GHzgydF4y2Ba2gydF4y2Ba。显然，PTFE仅通过电子极化机制与电磁场相互作用，导致其极低的介电常数和损耗值。gydF4y2Ba
聚四氟乙烯复合层压板已应用于微波频率应用。介电特性表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba包含来自Continental Diamond Fiber的“Dilecto GB-112T层叠板”高达10 GHz的数据，该公司由Arlon收购，于2015年与Rogers Corp.合并。gydF4y2Ba
近年来，Rogers通过引入XtremeSpeed™RO1200™系列层压板，优化了高性能数字应用的PTFE复合层压板技术。这些材料是用熔融二氧化硅填充聚四氟乙烯树脂涂覆在扩散玻璃织物上，并表现出εgydF4y2BaRgydF4y2Ba= 3.0和tan δ < 0.0017在10 GHz。gydF4y2Ba
玻璃纤维的含量被最小化，以尽可能低的介电常数和损耗和扩散玻璃被使用，以最大限度地减少信号倾斜。除了通过用熔融二氧化硅取代玻璃织物来降低介电常数和损耗外，二氧化硅还导致z轴CTE为30 ppm/°C，并且还使材料的介电常数温度系数非常低。的εgydF4y2BaRgydF4y2Ba从−50°C到+150°C，仅增加0.25%，而环氧基复合材料约增加8%。xtremesed RO1200系列层压板结合了非织造聚四氟乙烯层压板的表面光滑度，更细的线蚀刻公差，与编织玻璃聚四氟乙烯层压板的刚性。这些材料可以用标准的聚四氟乙烯电路板加工技术制成多层印刷电路板。标准厚度为0.010和0.003至0.008在0.001英寸。增量。尽管聚四氟乙烯树脂极性较低，但通过优化复合材料的强度和延展性，可以获得与光滑铜箔良好的附着力。例如，用于XtremeSpeed RO1200系列层压板的“RA”(轧制)箔已被证明具有高达110 GHz的“电平滑”。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba这使得使用传统技术的多层电路板可以达到最低的损耗。gydF4y2Ba
当不需要最终性能时，与FR-4工艺更相似的热固性材料通常可以降低成本。设计用于高速数字应用的热固性层合板依赖于相同的基本概念，即利用低极性材料来降低介电常数和损耗，并为低极性的缺点找到工程解决方案。罗杰斯RO4000gydF4y2Ba®gydF4y2Ba系列高频层压板早在20多年前就已投入商业应用。聚合物粘合剂是碳氢聚合物的混合物，含有活性双键和聚合引发剂，可以尽可能少地增加基体的极性。使用熔融二氧化硅来降低所有三个轴上的CTE，并最大限度地降低高介电常数/高损耗e -玻璃含量。由于交联碳氢树脂填料系统比聚四氟乙烯复合材料更坚硬，韧性更差，原来的产品依赖于高规格的铜箔。多年来，这种层压板已广泛应用于电信基站放大器中。在低于2.6 GHz的手机频率和相当大的电路特性下，高调的铜箔没有导致任何缺陷。gydF4y2Ba
关于电介质材料行为的化学和物理的更多信息，作者强烈推荐A. von Hipple的电介质材料和应用。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba虽然这本书出版于60多年前，但它的信息并没有过时，任何有技术背景的人都可以阅读，而且可以在亚马逊上买到。此外，有125页的介电常数和损耗数据与频率和温度的关系，几乎每一种材料都存在于1954年。gydF4y2Ba
文章发表于《SIJ》2019年7月刊，技术特稿:第22页gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
参考文献gydF4y2Ba
1.gydF4y2Bahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/magprop.htmlgydF4y2Ba。gydF4y2Ba
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3.《保罗·艾斯勒的印刷电路板:历史》gydF4y2Bahttps://history-computer.com/ModernComputer/Basis/printed_board.htmlgydF4y2Ba。gydF4y2Ba
4.A. F. Horn III, P. A. LaFrance, C. J. Caisse, J. P. Coonrod, B. B. Fitts，“导线廓形结构对输电线路传输的影响”，gydF4y2BaDesignCon 2016gydF4y2Ba2016年1月19日至21日。gydF4y2Ba
